李昊,廖玲玲
(江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司,江西 南昌 330000)
大量工程實踐表明,傳統(tǒng)的4cm厚上面層+6cm厚中面層組合結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定且技術(shù)較為成熟。但在瀝青路面維修養(yǎng)護過程中,必須將上面層銑刨后加鋪罩面,必定增大維修養(yǎng)護成本。近年來出現(xiàn)的超薄磨耗層新型罩面技術(shù)抗滑、抗車轍及抗磨耗性能均較為優(yōu)越,且設(shè)計厚度較薄,通過其替代傳統(tǒng)厚度瀝青面層,既能提升路面路用性能,又能降低銑刨厚度,節(jié)省維修養(yǎng)護成本。為此,本文主要結(jié)合具體工程從材料性能、施工及經(jīng)濟性等角度將2.5cm厚超薄磨耗層+7.5cm厚中面層的新型面層組合結(jié)構(gòu)與4cm厚上面層+6cm厚中面層的傳統(tǒng)瀝青面層組合結(jié)構(gòu)進行比較。
某高速公路改擴建工程起訖樁號K210+110—K265+378,全長55.268km,雙向四車道,路基寬28.5m,原路面結(jié)構(gòu)為瀝青混凝土路面,此次改建主要進行原路面局部病害處理及復(fù)合式罩面結(jié)構(gòu)的加鋪。該高速公路改擴建路段自2001年建成后運行,主要擔(dān)負(fù)著繁重的交通運輸任務(wù),并為地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大貢獻。隨著交通規(guī)模的持續(xù)增大,重載車輛日益增多,導(dǎo)致道路病害趨于嚴(yán)重,路面平整度大幅降低,通行能力下降。
該改擴建路段自投運以來,先后進行過6次小范圍病害修補,且每年投入的維修養(yǎng)護費用逐年增加,根據(jù)相關(guān)部門得出的調(diào)查結(jié)果,該路段已經(jīng)達到大修及翻新改建的標(biāo)準(zhǔn)。
本公路工程面層結(jié)構(gòu)組合中超薄磨耗層和中面層設(shè)計厚度分別為2.5cm和7.5cm,根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004),熱拌熱鋪密級配瀝青混合料中,瀝青層壓實厚度應(yīng)不小于集料最大粒徑的2.5~3.0倍[1],因此本公路中面層和超薄磨耗層應(yīng)分別采用AC-20、SUP-20以及SMA-10、AC-10混合料。結(jié)合工程實際,新型面層結(jié)構(gòu)采用SMA-10和AC-20混合料,而傳統(tǒng)面層結(jié)構(gòu)采用SMA-13和AC-20混合料。為保證抗車轍性能,均使用SBS改性瀝青,且SMA混合料以粒徑3~5mm、5~10mm、10~15mm輝綠巖碎石料為集料,以粒徑0~3mm石灰?guī)r為礦粉料,并采用密度0.45±0.05g/cm3且路用性能良好的木質(zhì)素纖維;集料磨耗值和壓碎值分別為13.1%和10.7%。AC-20混合料則采用石灰?guī)r集料。材料性能均滿足規(guī)范要求。
傳統(tǒng)面層結(jié)構(gòu)所采用的SMA-13和AC-20混合料配合比設(shè)計較為成熟,根據(jù)規(guī)范所確定的SMA-13和AC-20混合料最佳油石比分別為6.2%和4.4%。與其余粒徑混合料不同,SMA-10關(guān)鍵篩孔為2.36mm,目前國內(nèi)SMA-10混合料級配范圍內(nèi),粒徑2.36~4.75mm的集料含量在40%以內(nèi),較為寬泛的含量使該混合料設(shè)計難度增大[2]。結(jié)合相關(guān)研究成果,當(dāng)粒徑2.36~4.75mm的集料含量在8%以內(nèi)以及20%~28%范圍內(nèi)時集料體積參數(shù)更加滿足混合料性能要求,為此,本文結(jié)合集料篩分結(jié)果將SMA-10混合料中粒徑2.36~4.75mm的集料含量控制在20%~28%范圍內(nèi);同時將馬歇爾擊實次數(shù)增大至75次,并根據(jù)馬歇爾試驗得到超薄磨耗層SMA-10混合料各項性能指標(biāo),結(jié)果詳見表1。
表1 SMA-10混合料性能指標(biāo)
為保證本公路瀝青面層結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,必須保證超薄磨耗層SMA-10替代原上面層后具備與原上面層SMA-13瀝青混合料同樣的力學(xué)及路用性能。本文通過凍融劈裂試驗、低溫彎曲試驗、擺值試驗、構(gòu)造深度試驗、單軸貫入試驗分別進行SMA-10和SMA-13混合料水穩(wěn)性、低溫抗裂性、抗滑性能、高溫穩(wěn)定性能等檢驗。根據(jù)試驗結(jié)果,SMA-10混合料構(gòu)造深度1.02mm、擺值61BPN、低溫彎曲破壞應(yīng)變4 080με、凍融劈裂強度比89.7%、單軸貫入抗剪切強度1.02MPa;SMA-13混合料構(gòu)造深度1.07mm、擺值64BNP、低溫彎曲破壞應(yīng)變3 342με、凍融劈裂強度比87.8%、單軸貫入抗剪切強度0.96MPa均滿足規(guī)范要求,且超薄磨耗層SMA-10混合料路用性能不亞于原上面層SMA-13混合料。
瀝青路面性能既受原材料及配合比設(shè)計影響,也與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)。根據(jù)相關(guān)試驗結(jié)果,面層結(jié)構(gòu)從上至下3~8cm范圍內(nèi)剪應(yīng)力最大,發(fā)生車轍的可能性也最大,因此中上面層結(jié)構(gòu)整體性能的提升對于路面抗車轍能力的提高十分關(guān)鍵。
利用混合料輪碾振動成型機進行面層結(jié)構(gòu)車轍試驗,各結(jié)構(gòu)層混合料實際質(zhì)量根據(jù)馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)密度與體積的乘積計算,并依次成型中面層和上面層??紤]到材料用量大、成型工藝復(fù)雜,故僅成型厚度分別為2.5cm和7.5cm的SMA-10+AC-20新面層組合試件以及厚度4cm和6cm的SMA-10+AC-20傳統(tǒng)面層組合試件各1塊。將所成型試件均切割成長×寬×高為30cm×30cm×10cm的試塊進行車轍試驗,根據(jù)試驗結(jié)果,新型面層組合試塊動穩(wěn)定度3 600次/mm、最終變形量為2.384mm;傳統(tǒng)面層組合試塊動穩(wěn)定度3 299次/mm、最終變形量為2.799mm。
通過單軸貫入試驗進行不同面層組合結(jié)構(gòu)抗剪性能評價,試驗加載速率1mm/min、壓頭直徑28.5mm、試驗溫度60℃;還應(yīng)同時展開無側(cè)限抗壓強度試驗,通過比較兩組試驗結(jié)果,得出內(nèi)摩擦角和黏聚力值。應(yīng)用相同方式成型兩種結(jié)構(gòu)試塊,并通過鉆芯法鉆出直徑10cm、高10cm的圓柱體試件,1組5個試件展開單軸壓縮和單軸貫入平行試驗,所得到的新型面層組合試件上、中面層空隙率為3.5%和3.9%、抗剪強度0.853MPa、黏聚力0.163MPa、內(nèi)摩擦角42.3°;傳統(tǒng)面層組合試件上、中面層空隙率為3.8%和3.9%、抗剪強度0.760MPa、黏聚力0.154MPa、內(nèi)摩擦角42.5°。由以上結(jié)果發(fā)現(xiàn),新型面層組合結(jié)構(gòu)抗剪強度、內(nèi)摩擦角及黏聚力均比傳統(tǒng)面層組合結(jié)構(gòu)高,故新型面層組合結(jié)構(gòu)抗剪性能更優(yōu),這與車轍試驗結(jié)構(gòu)基本一致。
在該高速公路改擴建工程中選取起訖樁號K210+110—K211+610段(左幅)為試驗段試鋪2.5cm厚超薄磨耗層SMA-10混合料+7.5cm厚AC-20混合料中面層。
對SMA-10和AC-20所用瀝青、集料等性能展開現(xiàn)場試驗,在優(yōu)選原則下確定出不同粒徑集料比和最佳瀝青用量。SMA-10混合料中粒徑0~3mm、3~5mm及5~10mm集料和礦粉比為10%∶19%∶3%∶68%,最佳油石比6.6%;AC-20混合料中粒徑0~3mm、3~5mm、5~10mm、10~20mm集料和礦粉比為2%∶28%∶8%∶21%∶41%,最佳油石比4.5%。
結(jié)合目標(biāo)配合比,還進行了各熱料倉材料級配、密度等的取樣檢測,通過室內(nèi)試驗和拌和機取樣試驗結(jié)果確定最佳瀝青用量。該試驗路段瀝青面層組合結(jié)構(gòu)混合料生產(chǎn)配合比技術(shù)指標(biāo)詳見表2。
表2 生產(chǎn)配合比技術(shù)指標(biāo)
與傳統(tǒng)瀝青面層組合結(jié)構(gòu)相比,新型瀝青面層組合結(jié)構(gòu)的施工難點主要在超薄磨耗層施工方面,為此,在進行超薄磨耗層施工過程中必須加強瀝青混合料生產(chǎn)、運輸、攤鋪及碾壓環(huán)節(jié)的溫度控制,壓實度及平整度控制,面層厚度控制。
SMA-10混合料降溫速度較快,故在其拌和過程中應(yīng)使混合料出料溫度接近規(guī)范上限;運輸時盡量縮短運距,并在運料車頂部進行覆蓋保溫;攤鋪施工過程中,在確保AC-20中面層混合料厚度、壓實度、平整度等均符合規(guī)范要求的基礎(chǔ)上均勻灑布黏層油。SMA-10混合料層攤鋪厚度較薄,下臥層的混合料受溫度影響較大,故其攤鋪溫度應(yīng)控制在170℃及以上,且路表溫度應(yīng)不低于15℃。碾壓施工應(yīng)遵循緊跟、慢壓、高頻、低幅的原則,壓路機必須緊跟攤鋪機施工,采用10t以上鋼輪壓路機初壓1遍、12t以上鋼輪壓路機以靜壓方式及5.0km/h以下的速度復(fù)壓3~4遍,最后終壓1~2遍。該試驗路段在高溫碾壓下混合料無推移,則可以初步判斷SMA-10混合料骨架密實級配已經(jīng)形成。
施工過程中,應(yīng)將檢測重點放在超薄磨耗層各施工階段溫度方面,所測得的環(huán)境溫度、路表溫度、混合料出廠溫度、攤鋪溫度、初壓、復(fù)壓及終壓溫度分別為32℃、45℃、180℃、176℃、172℃、165℃及143℃,均滿足規(guī)范要求。隨機抽取混合料進行燃燒試驗,試驗結(jié)果所得到的級配和油石比十分接近生產(chǎn)配合比,成型試件馬歇爾空隙率也較為接近目標(biāo)空隙率。
完成試驗路段施工后進行現(xiàn)場取芯試驗,所得芯樣空隙率均值為5.9%,壓實度均值為97.9%,滲水系數(shù)為98.4mL/min, 厚 度 均 值 為2.5cm, 構(gòu) 造 深 度 為0.94mm,抗滑摩擦系數(shù)為69BPN,平整度為0.67mm。各項施工參數(shù)均符合規(guī)范要求,試驗段施工效果良好。
為進一步分析試驗路段新型瀝青面層組合結(jié)構(gòu)抗剪強度,從不同位置取出8個新型面層芯樣和4個傳統(tǒng)面層芯樣,按照試驗要求切割成高度和直徑均為10cm的圓柱體試塊進行單軸貫入試驗,并比較兩種瀝青面層結(jié)構(gòu)抗剪強度。根據(jù)試驗結(jié)果,在60℃的試驗溫度下,不同位置芯樣抗剪強度差異較大,通過分析發(fā)現(xiàn),施工質(zhì)量差異應(yīng)為主要原因。而且,試驗路段新型面層組合結(jié)構(gòu)芯樣的抗剪強度普遍比傳統(tǒng)面層組合結(jié)構(gòu)芯樣高,這與室內(nèi)試驗結(jié)果基本一致??梢?,通過施工溫度及施工條件控制,新型瀝青面層組合結(jié)構(gòu)抗車轍性能更加優(yōu)異,能有效提升瀝青路面結(jié)構(gòu)耐久性,避免早期病害的發(fā)生。
根據(jù)該高速公路工程建設(shè)期間各類原材料價格、人工費用、機械價格、租賃價格來看,超薄磨耗層SMA-10混合料、上面層SMA-13混合料及中面層AC-20混合料單位造價分別為1 780元/m3、1 600元/m3和1 195元/m3,雖然超薄磨耗層單位造價比傳統(tǒng)上面層高,但超薄磨耗層設(shè)計厚度較??;在路面運行過程中若發(fā)生淺層裂縫、車轍、擁包等病害且中下面層和基層狀況良好的情況下,銑刨、填補、加鋪過程中所消耗的材料也更少;超薄磨耗層結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)上面層使用壽命更長[3]。
本文通過對2.5cm厚超薄磨耗層+7.5cm厚中面層的新型面層組合結(jié)構(gòu)和4cm厚上面層+6cm厚中面層的傳統(tǒng)瀝青面層組合結(jié)構(gòu)路用性能的室內(nèi)試驗分析和試驗段性能比較發(fā)現(xiàn),最大公稱粒徑較小的瀝青混凝土也具備較好的路用性能,并能替代傳統(tǒng)意義上的上面層;新型瀝青路面組合結(jié)構(gòu)抗剪強度更高,抵抗車轍等病害的性能也更加優(yōu)越。然而,超薄磨耗層因厚度較薄,瀝青混合料失溫較快,碾壓難度大,故其施工難度比傳統(tǒng)意義上的上面層更大,必須通過加強溫度控制及優(yōu)選碾壓工藝等方式來保證超薄磨耗層施工質(zhì)量??偠灾∧ズ膶有滦兔鎸咏M合結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的瀝青面層結(jié)構(gòu)性能更為優(yōu)越,具有更廣闊的應(yīng)用前景。